蘇州納米所張永毅/李清文等National Science Review：用于熱管理可打印的碳納米管超級(jí)塑料
塑料因加工性好、質(zhì)輕價(jià)廉，成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的材料，但其在機(jī)械、熱、電性能方面的先天不足，限制了它在電子器件熱管理等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。碳納米管憑借超高的機(jī)械、熱、電性能，被視為提升塑料性能的理想增強(qiáng)體。然而，傳統(tǒng)的碳納米管與聚合物復(fù)合方法存在諸多瓶頸，要么碳納米管負(fù)載量低、取向雜亂、分散不均，導(dǎo)致性能提升有限；要么雖然提升了部分性能，卻犧牲了塑料原有的加工性，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。與此同時(shí)，電子器件的小型化與集成化要求熱管理材料不僅要具備高熱導(dǎo)率，還需實(shí)現(xiàn)定向?qū)幔@對(duì)材料的熱導(dǎo)率各向異性提出了很高要求。如何兼顧碳納米管的高性能、聚合物的可加工性以及材料的定向熱傳輸特性，成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張永毅研究員及合作者開(kāi)發(fā)出一種可規(guī)模化制備的原位碳納米管-聚合物融合與熱加工工藝，成功制備出兼具超高性能與優(yōu)異加工性的碳納米管超級(jí)塑料（CNTSP），該材料實(shí)現(xiàn)了定向高熱導(dǎo)、高強(qiáng)高導(dǎo)的特性，且可通過(guò)3D打印、熱壓成型制備成各類結(jié)構(gòu)，為電子器件高效熱管理提供了全新解決方案。
研究團(tuán)隊(duì)采用浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積法制備的長(zhǎng)碳納米管網(wǎng)絡(luò)（碳納米管長(zhǎng)度約100 μm）為基礎(chǔ)，將其浸入聚酰胺6（PA6）/甲酸溶液中，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)59 wt%的碳納米管負(fù)載。該過(guò)程既保留了碳納米管原有的高長(zhǎng)徑比，又促使其與聚合物分子發(fā)生自發(fā)融合，有效提升了碳納米管的取向度與堆積密度。這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)賦予了碳納米管超級(jí)塑料卓越的熱學(xué)性能：其熱導(dǎo)率可達(dá)143±5.8 Wm–1K–1，且呈現(xiàn)出高度定向的傳熱特性，熱導(dǎo)率各向異性比約為123。同時(shí)，該材料還兼具優(yōu)異的力學(xué)與電學(xué)性能，機(jī)械強(qiáng)度達(dá)663±18 MPa，電導(dǎo)率為8.6×104 Sm–1。
此外，團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CNTSP在熱管理領(lǐng)域的優(yōu)異應(yīng)用潛力：將CNTSP打印件作為散熱器，當(dāng)碳納米管取向方向與熱流方向平行時(shí)，CNTSP散熱器的熱傳輸效率顯著提升，能快速將90℃熱源的熱量導(dǎo)出，而垂直取向時(shí)則有效抑制熱損耗，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定向散熱。更重要的是，該工藝具有良好的通用性，除PA6外，還可拓展至聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酮酮（PEKK）等多種工程塑料，制備的系列CNTSPs材料的熱、電性能均較純聚合物提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，且保持優(yōu)異的加工性，不僅滿足了航空航天、新能源等不同領(lǐng)域的高性能材料需求，也開(kāi)拓了高性能聚合物基復(fù)合材料研發(fā)新方向。
圖1 碳納米管超級(jí)塑料的制備工藝與原理
圖2 碳納米管超級(jí)塑料的微觀結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算
圖3 碳納米管超級(jí)塑料的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能
圖4 碳納米管超級(jí)塑料的可塑性與3D打印成型工藝
圖5?碳納米管超級(jí)塑料的熱管理應(yīng)用
相關(guān)成果以Printable carbon nanotube superplastics for thermal management為題發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所博士生陳立、武漢大學(xué)博士生賈向正、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所博士后傅慧麗和河南理工大學(xué)楊政鵬教授為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張永毅研究員、李清文研究員、武漢大學(xué)高恩來(lái)副教授、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校房少立教授、北京石墨烯研究院蹇木強(qiáng)副研究員和北京大學(xué)張錦院士為共同通訊作者。該研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等基金項(xiàng)目資助，并得到了中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）的表征技術(shù)支持。
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